经济学人：3D 打印机开始构建未来工厂

正如此例，3D打印发展迅速。2011年2月，《经济学人》发表了一篇文章《打印一个小提琴》，当时这种打印概念看起来还很超前，而现在已经成为了现实。增材制造，众所周知可以加速原型设计，也可以制作定制的、复杂的用于实际销售商品。从制造假牙、珠宝到汽车、飞机部件，3D打印无处不在。通常，对于大规模生产来说它还太慢，对某些应用来说太贵，其生产结果也达不到所需的标准。但是，从Adidas 3D打印的鞋底来看，这些短板都解决了，3D打印将成为未来工厂的主要生产方式这样的想法并不是空想。这项技术并不仅限于用工业材料、金属、塑料等作为原材料，它的触角也将延伸到生物领域。

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想要打印出一个立体的东西有很多种方法，但各种3D打印方法都有一个共同点：不同于传统工厂所使用的切割、钻孔、铣削等去除材料的方法来得到所需的形状，一台3D打印机从零开始进行添加材料。整个过程在一个计算机程序的指引下完成，这个程序包含着待打印物品的虚拟形态，以切片的形式存储，这些切片会作为连续的材料层重复打印，直到完成最终的形状。

典型的方法是材料层可以是由挤出的熔融聚合物丝材、喷墨打印材料或者是激光融化粉末构成，然而Adidas的鞋底是以一种令人瞩目的方式呈现——它是由JosephDeSimone，一个化学家而非工程师思考如何增材制造而来的结果。DeSimone先生是Carbon的老板，也是北卡罗莱纳大学教堂山分校的一位化学教授，Adidas的鞋底即是由该公司生产的3D打印机制造。

Carbon的打印机用了一种叫做数字光合成的方法，DeSimone先生将其称为“由软件控制的化学反应生产的部件”。其工作原理是在带有透明基座的浅容器中装满液态树脂，紫外光透过基底将树脂一层层固化。与一般的光固化3D打印不同，它的秘密在于底部那个特殊的既透明又透气的窗口，该窗口同时允许光线和氧气通过。氧气的确切量和进入树脂池的时间受到严格控制，因此起到了抑制某些区域树脂固化的作用，而与此同时光线会固化那些没有暴露在氧气的区域。也就是说，氧气能够在树脂内营造一个光固化的“盲区”，这种“盲区”最小可达几十微米厚（约为2‐3个红细胞的直径）。在这些区域里的树脂根本不能可能发生光聚合反应。然后该设备会使用UV光像放电影那样把3D模型的一系列横截面投射到里面。

DeSimone表示数字光合成克服了3D打印存在的两个问题，首先，比已有的光固化3D打印技术快100倍，其次，硬化过程可以将材料层更好地黏合在一起，做出更结实的产品，表面也更光滑，减少了传统后处理的需求。

他认为，尽管许多工厂使用注塑工艺作为一种大规模生产方法近150年了，这些都足以让数字光合成成为注塑工艺的竞争对手。当塑料被固化，打开模具就可以取出部件，注塑很快而且很精确，但是制作模具和建立生产线过程非常慢又贵，因此注塑模具只有在制作上千件同款产品的时候才能显现其优势。

然而，规模经济很难适用于3D打印。软件的易变性意味着原本使用相同的设备和材料只能制造出一次性物品，现在可以制造出成千上万的东西，这改变了制造业的本质。比方说，无需用一个巨大仓库来塞满备用件，两个美国建筑和农业设备生产商Caterpillar 和John Deere正在和Carbon合作，将他们的仓库移到线上云，云上的数字设计可以随时随地下载下来打印成部件。

老牌设备生产商也在不断改进自家的打印机，提高了打印速度和质量，丰富了打印颜色，扩展了一系列聚合物材料，甚至包括橡胶材料。两个老牌的3D打印巨头公司为3DSystems和 Stratasys，去年又加入了第三家美国公司惠普——一家传统的办公打印机巨头加入阵营，发布了一系列的塑料3D打印机，售价约13万美元。根据最新的Wohlers报告，3D打印机制造商（指售价5千~1百万美元的打印机）从2016年的62家上升到了97家。尽管很多制造商选择出售，但是Carbon采取了一种“软”模式，将他们的机器以每年4万美元的价格出租给客户，就像软件公司一样，在互联网上更新机器。

新金属

使用含有合成化学物的低熔点聚合物进行打印并非难事，但金属打印却完全是另一回事。金属打印机是通过激光或电子束达到所需的温度，将多层粉末层熔化成固体物品。整个过程分为多个步骤：粉末沉积、铺展，最后熔化。

这样的打印机可以打印出一些形状复杂的物品，但一个物品也可能耗上好几天。打印一些少量的高端组件，如超级跑车、飞机、卫星和医疗设备，等几天是值得的。相比减材制造，3D打印技术可以更自如地制造出中空的物品，物品设计范围亦变广泛了，同时也节省了成本。此外，这种技术仅在需要的地方沉积金属，比减材制造产生的废料更少，这一点是很重要的，因为许多用于高科技工程的专业合金是很独特的，价格也十分昂贵。

上述这些优势就足以让世界上最大的制造商之一——GE投资15亿美元在3D打印。例如，GE在阿拉巴马州工厂投资了五千万美元，与法国赛峰合作制造一款用于新型LEAP喷气发动机的燃油喷嘴。到2020年，该工厂每年可以生产3.5万个这样的燃油喷嘴。

每个LEAP发动机就需要19个喷嘴，这种喷嘴具备多个新功能，如复杂的冷却管道，GE表示这是其他技术无法制造出来的。喷嘴将作为一个单一的整体结构打印出来，而不像以前一样由20多个部件焊接在一起。新喷嘴也比旧设计轻25%，更为节省燃料。同时，耐用性也是旧设计的五倍，降低了维修成本。

这样的案例接踵而至。英国的GKN航空公司最近就与田纳西的橡树岭国家实验室签署了一项为期五年的协议，共同寻求打印大型钛合金飞机零件的新方法，旨在减少90%的废料和缩短一半的装配时间。

现有的金属打印机可能跟一辆汽车一样大，有些价格在100万美元以上。但如果企业能购买到小型的、便宜的金属打印机呢？Ric Fulop认为他能制造出这样的打印机，2015年，Ric Fulop和麻省理工的一些教授成立了Desktop Metal，并获得了来自GE、Stratasys和宝马等近一亿美元现金投资。

Desktop Metal的打印机使用的并不是激光或电子束对粉末层进行切割，而是使用一种称为绑定金属沉积的工艺。首先，打印机会像塑料打印机一样挤出金属粉末和聚合物的混合物，定好形状。然后送进烤箱将聚合物烧掉，并用低于金属颗粒熔点的温度烧结和压实金属颗粒，这样就可以得到一个结构紧密的金属物体了，这种不像传统铸造出坚实的金属物体。烧结这个过程虽然会导致物体收缩，但打印形状只需稍微大些就可以解决，因为收缩情况是可预知的。

Desktop Metal推出了两款打印机。Studio系统专为原型和小型生产而设计，售价约为12万美元，整个系统则需40多万美元。将传统的金属打印机多个生产阶段集合在一个单一的打印头上，Desktop Metal打印机的速度非常快。据Fulop先生介绍，他们的打印机的构建速度达每小时500立方英寸（8194 cm3），而传统激光金属打印机的速度每小时只能打印1到2立方英寸，电子束打印机每小时打印5立方英寸。

更为重要的是，Desktop Metal的打印机兼容其他工业制造工艺使用的材料，这比一些专业3D打印粉末便宜80%。此外，还无需对粗糙的表面进行过多的精加工。这些改变将进一步改变制造业的经济性。

打印自己

最早的增材制造应用之一出现在医疗行业。由于世界上每个人都是独一无二的，需要的假肢也可能各有不同。因此，出现了数以百万3D打印的单独雕刻牙科植入物和助听器外壳，还有越来越多其他的装置，如骨科植入物。但是更为重大的发现是移植用的3D打印活体组织，虽然这个想法仍处于实验阶段，但不少研究员已经使用生物打印机制造出软骨、皮肤和一些其他的人体组织。

生物打印机有多种工作方式。最为简单的一种是用注射器挤出细胞和打印介质的混合物，类似于桌面级塑料打印机的方式，其他则是采用喷墨打印的方式。一些医学研究员正在研发一种称为激光诱导转移的3D打印方式，这种方式会先在基片向下那面涂上打印材料，使用脉冲激光形成材料斑点脱落到下面的基片上。不过有时，第三个维度需要一些额外的帮助。某些打印机通过在预先制备的支架上打印细胞，得到需要的形状，细胞一旦生长出足够数量并能保持自身形状就会将支架溶解掉。

来自北卡罗来纳州维克森林再生医学研究所的Anthony Atala和他的同事就用这种方式打印出了耳朵、骨骼和肌肉，并成功植入动物体内。最为关键的部分是要确保打印的组织存活并与受体相容。某些组织，如软骨在体外也能生长，只需在培养基中注入营养物质就足够了，并且在移植到活体时仍保持良好的状态。而一些更为复杂的器官，如心脏、肝脏和胰腺，需要供血才能从单一的小细胞长成。因此，Atala医生和他的同事需要通过结构打印通道，让营养和氧气扩散，这样有助于血管发育。可能在几年之内，下一步就将会进行人体测试了。

但两位生物技术企业家ErikGatenholm和Hector Martinez认为生物打印缺的是某种形式的标准化“生物墨水”。所以，他们在2016年1月创立了一家名为Cellink的公司，销售由瑞典哥德堡查尔莫斯理工大学研发的生物打印材料。

Cellink的墨水是由纳米纤维藻酸盐制成的，这是一种生物降解材料，含有木纤维和发现于海藻中的含糖聚合物。研究人员首先将细胞和生物墨水混合，然后根据所需形状挤出丝状混合物。该公司已开发出组织特异性的生物墨水，其中包含刺激特定类型细胞，如干细胞所需的生长因子。这些细胞可以增殖生成特定组织的任何一种细胞类型。如果干细胞是从接受移植的患者身上提取的，这将降低移植后排异的风险。

除了生产生物墨水外，Cellink也推出了自家的打印机系列，都将作为研究反馈低价出售给大学院校。Gatenholm先生表示3D打印组织正在进行药物测试，其中一个测试就是用患者自身的癌细胞打印出多个肿瘤，然后用不同的药物或混合用药来治疗，以确定哪种更为有效。对于实际移植，Gatenholm先生则建议首先可用的3D打印组织是软骨，再是皮肤，最后是需要血管的器官。

生物打印看似将要成为一个新的制造业，它将扎根于医疗中心，在无菌环境中进行，看似实验室而不是生产工厂。但即便是简单的塑料和金属3D打印，也将给工厂带来巨大的改变。未来的3D打印店仍会有工人，但主要是软硬件工程师，而且他们可能无需到工厂亲自操作机器了。

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